一種抗SEU存儲器電路的FPGA設計

O 引言
隨著(zhù)我國航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，衛星的應用越來(lái)越廣泛。然而，太空環(huán)境復雜多變，其中存在著(zhù)各種宇宙射線(xiàn)與高能帶電粒子，它們對運行于其中的電子器件會(huì )產(chǎn)生各種輻射效應。輻射效應對電子器件的影響不可忽視，因為輻射會(huì )使器件的性能參數發(fā)生退化，以至失效，從而影響衛星的可靠運行，縮短衛星的使用壽命。輻射效應對電子器件的影響很多，其中最主要的有總劑量效應(TID)和單粒子效應(S-EE)。SEE按產(chǎn)生的影響主要包括單粒子翻轉(SEU)、單粒子閂鎖(SEL)和單粒子燒毀(SEB)等三種類(lèi)型，其中以SEU最為常見(jiàn)。在各種輻射效應當中，存儲器對SEU最為敏感，所以，對存儲器的抗輻射設計首先要考慮的就是抗SEU設計。
事實(shí)上，不同的空間環(huán)境和應用需求，對存儲器的數量與質(zhì)量也有不同的要求。例如：在上傳指令與下載星載儀器儀表的狀態(tài)時(shí)，要求數據有很高的可靠性，此時(shí)對內存容量則沒(méi)有特別的要求；而在處理某些用途的圖像數據時(shí)，對數據可靠性的要求則相應較低，此時(shí)則需要較大的內存容量。所以在采用具體的抗SEU方法時(shí)，也要因其不同情況而做出適合的選擇。
本文將采用擴展漢明碼編碼(Extended Hamming Code)與三模冗余(Triple Modular Redundancy，TMR)相結合的方法，并利用二者檢錯糾錯的不同特點(diǎn)，來(lái)對SRAM進(jìn)行檢錯糾錯模式可調的抗SEU設計。這樣既可實(shí)現存儲器的抗SEU設計。又可滿(mǎn)足對存儲器使用靈活性的要求。

1 擴展漢明碼與TMR檢錯糾錯原理
1．1 擴展漢明碼檢錯糾錯原理
擴展漢明碼是一種常用的能檢測兩位錯同時(shí)能糾正一位錯的編碼方法。它是在漢明碼的基礎上．在碼字上再加入一個(gè)對所有碼元都進(jìn)行校驗的校驗位而得到的，故稱(chēng)為擴展漢明碼。
擴展漢明碼是線(xiàn)性分組碼的一種，其信息位和監督位的關(guān)聯(lián)可由一組線(xiàn)性代數方程組表示。(n，k)線(xiàn)性分組碼的編碼就是去建立由r(其中r=n-k)個(gè)生成冗余位的方程式構成的方程組，再由此方程組轉化為kxn的生成矩陣G。編碼時(shí)，可將信息位向量(k維)乘以生成矩陣G，從而得到碼字向量(n維)，如下式所示：

將式(1)表示的方程組作移位變換，可以得到式(2)，通常稱(chēng)H為監督矩陣。

解碼時(shí)，通過(guò)監督矩陣H與讀出的碼字向量C的乘積結果可判斷該碼字是否出錯。若讀出的碼字向量C乘上監督矩陣H后得到一個(gè)零向量，則表示沒(méi)有出錯；否則表示碼字在存儲之后受到了單粒子效應的影響，有錯誤發(fā)生。通常將監督矩陣與讀出的碼字向量C的乘積記作S，稱(chēng)為校驗子。當碼字中某一位發(fā)生錯誤時(shí)，就會(huì )得到唯一的S向量，該向量只與碼字出錯的位置有關(guān)，而與碼字C無(wú)關(guān)。通過(guò)S向量可以定位出錯的位置，并對出錯數據進(jìn)行改正。
作為線(xiàn)性分組碼的一種，擴展漢明碼的分組編碼總長(cháng)為2r位，信息位長(cháng)度為2r-1-r位，即(2r，2r-l-r)擴展漢明碼。本設計采用了16位RAM存儲器，所以對應使用(22，16)擴展漢明碼。
1．2 TMR檢錯糾錯原理
TMR是一種常見(jiàn)的硬件冗余技術(shù)。它的原理是在相同的一組硬件單元上同時(shí)發(fā)生錯誤的概率要比在單一硬件單元上發(fā)生錯誤的概率小。它的基本方法是將所需容錯的硬件單元增加到三倍或更多，并將各個(gè)單元的輸出連接到一個(gè)表決器上，由表決器選擇所有硬件單元中的絕大多數輸出值作為整體的輸出值。圖1所示為三模冗余系統結構圖。

圖1中，A1、A2、A3三個(gè)模塊同時(shí)執行同樣的操作，并將其輸出送給表決器，然后由表決器對接收到的三路數據進(jìn)行比較。如果三個(gè)模塊同時(shí)給出三個(gè)相同的輸出，則表決器輸出任何一路作為正確輸出。如果其中任一模塊出錯，其輸出不同于其它兩個(gè)模塊，則表決器依然輸出正確結果。如果有兩個(gè)模塊同時(shí)出錯，且變成相同的狀態(tài)，表決器則會(huì )誤認為這是正確的結果并輸出，不過(guò)這種情況的出現雖然可能，但概率非常小。當然，如果這兩個(gè)模塊同時(shí)出錯，但出錯狀態(tài)不同，則表決器此時(shí)將無(wú)法做出選擇，但可以產(chǎn)生中斷。

2 內存配置方案
通過(guò)上面對擴展漢明碼與TMR兩種檢錯糾錯方式的介紹，可以發(fā)現其二者各有優(yōu)勢，分別適用于不同的環(huán)境條件和應用需求。但是，這兩種方案對于內存配置的要求是不同的，所以在對整個(gè)電路的設計之前，首先要對內存作如下配置。
本設計中使用了3片16bit的SRAM。并分別采用(22，16)漢明碼和TMR兩種檢錯糾錯方法。對于(22，16)，一般采用(16+8)位的存儲器來(lái)實(shí)現，而TMR，則采用16位的存儲器來(lái)實(shí)現。若要支持這兩種方法，則必須首先為存儲器設計一種特別的內存配置方式。本設計采用如圖2所示的內存配置方案。